机械振动
无穷多的质量 — 驻波
让质量趋于无穷便成弦或梁,模态是整数倍的驻波 fₙ = n·f₁(泛音),音高由 f₁ = (1/2L)√(T/μ) 决定
上一讲里,N 个质量给出 N 个模态。让质量变成无穷多——也就是一根连续的弦——模态也变成无穷多:每一个都是两端固定的光滑驻波,其频率是基频的整数倍。这正是弦能发出音乐的原因。
滑动 N。质量只有几个时是上一讲那种锯齿状的模态形;越多,形状就收敛为一条光滑曲线——连续的弦。连续系统就是质量无穷多的多自由度系统。
最简单的模态,基模:整根弦以一个波腹一起起落,两端固定(节点)。半个波长正好是弦长,所以 λ₁ = 2L,频率是最低的 f₁。
选一个更高的模态。第 n 个模态有 n 个波腹、其间 n−1 个节点,频率是 fₙ = n·f₁——基频的整数倍。这道整数倍的阶梯就是泛音(谐波),也是弦声悦耳的原因。
A5 的叠加,如今扩展到无穷多模态。在某一点拨弦,那个三角形形状就是驻波模态之和。增加叠加的谐波数——拐角越来越尖,和便收敛到拨弦的形状。这种特定的配比就是音色。
是什么决定音高?f₁ = (12L)√(Tμ)——张力 T、长度 L、线密度 μ。三者都动一动:拉得更紧(T↑)、变短(L↓,按品)、变细(μ↓),音就升高。这正是低音弦更粗的原因,也是桥索与输电线发出嗡鸣的同一道理。
实际应用连续系统——弦、梁或板——是质量无穷多的多自由度系统,所以模态也无穷多。每个模态都是固定节点之间的驻波;在弦上频率为 fₙ = n·f₁,是基频的整数倍(泛音)。任何振动都能分解为这些模态之和(拨弦的形状 = 泛音之和 = 音色),而基频为 f₁ = (12L)√(Tμ),由张力、长度与线密度决定。实务依旧:找出模态的形状与频率,让任何驱动力都远离它们。桥梁、机翼与高楼也是有无穷多模态的连续体,而驻波正是振动与波动、与音乐相遇之处。
← 机械振动